KR101401317B1 - 고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법 - Google Patents
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Abstract
고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법이 개시된다. 본 발명에 따른 고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법은, 초음파 세정에 사용되는 진동소자를 포함한 세정장치의 설정방법에 있어서, 진동소자의 주파수와 임피던스 관계 및 임피던스의 n차 최저값을 확인하는 측정단계; 진동소자의 고유주파수 및 정전용량을 검출하는 고유주파수검출단계; 진동소자의 주파수 및 정전용량에 따라, n차 최저값별 인덕턴스를 검출하는 인덕턴스검출단계; 및 진동소자에 고유주파수를 인가하고, 인덕턴스는 n이 1이 아니면서 1 이상의 정수인 값으로 설정하는 설정단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 기본파 및 기본파보다 높은 고주파에서의 주파수 특성을 모두 나타낼 수 있고 이에 따라 기본파에서의 강한 세정과 고주파에서의 정밀세정 효과를 함께 발휘할 수 있어 균일한 세정이 이루어진다.
Description
본 발명은 고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 균일한 세정이 이루어지도록 하기 위한 것이며, 보다 구체적으로는, 기본파에서의 강한 세정과 고주파에서의 약한 세정 효과가 함께 발휘되기 위하여 진동소자를 통하여 고조파가 생성되도록 하는 고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법에 관한 것이다.
초음파 발진장치로부터 전기적 신호가 진동판의 진동자로 인가되면 이 진동자는 기계적 신호를 발생시키고, 이 변환된 기계적 신호는 수중의 매질을 통하여 진동하여 음압의 변화로 케비테이션 현상을 발생시켜 이물의 박리 및 제거에 사용되는데, 이러한 원리를 이용한 세정방법을 초음파 세정이라고 한다.
주파수에 따른 초음파 세정의 분류를 살펴보면, 28kHz 또는 40kHz의 단일 주파수를 사용하여 매우 강한 정재파를 형성하여 2~3 ㎛의 입자제거에 사용되는 단일주파수방식, 40~90kHz의 주파수를 사용하고 약한 정재파를 형성하여 1.5㎛의 입자제거에 사용되는 다주파방식, 60~200kHz의 주파수를 사용하고 약한 정재파를 형성하여 1㎛이하의 입자제거를 위한 정밀세척용으로 사용되는 중간주파방식 등이 있다.
그런데, 종래의 단일주파수방식은 세정조 내에서 초음파가 불균일하게 되고 수심변동에 따라 전체적으로 출력이 민감하게 변하는 단점이 있었다.
이러한 점을 고려하여 한국등록실용신안 제20-0280368호는, "초음파 세척기의 진동소자 설치 구조"를 개시하며, 구체적으로, 종래 단일 주파수에 의한 것이 아니라 복합주파수를 발생 가능한 구조로 진동소자를 설치하여 그 세정 효과를 더욱 높히도록 한 것으로, 그 주요 구성은 진동판에 각각 다른 주파수를 갖는 제1,2 진동소자를 순차 하나 걸러 하나씩 고정 설치한 것을 특징으로 하며, 상기한 제 1,2 진동소자는 진동판에 가로,세로로 순차 나란히 형성한 것을 특징으로 하며, 상기한 제 1,2 진동소자는, 가로로 제 1 및 제 2 진동소자를 번갈아 나란히 형성하고, 그 아래로는 상기한 앞선 열의 제 1 및 제 2 진동소자 사이에 제1,2진동소자를 가로로 연속하여 형성하도록 하고 있다.
그리고 한국등록실용신안 제20-0280368호는 이러한 구조에 따라 균일한 세정효과를 얻을 수 있음을 기재하고 있다.
다만, 이러한 한국등록실용신안 제20-0280368호에 따른 구조는, 서로 다른 주파수를 갖는 진동소자를 구비하여야 하는 것이고, 동일한 진동소자를 사용하는 경우에는 균일한 세정이 이루어질 수 없는 문제점이 여전히 존재하고 있으며, 이를 해소할 필요가 있다.
본 발명의 목적은, 기본파에서의 강한 세정과 고주파에서의 약한 세정 효과가 함께 발휘될 수 있도록, 진동소자를 통하여 고조파가 생성되게 하는 고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 초음파 세정에 사용되는 진동소자를 포함한 세정장치의 설정방법에 있어서, 상기 진동소자의 주파수와 임피던스 관계 및 임피던스의 n차 최저값을 확인하는 측정단계; 상기 진동소자의 고유주파수 및 정전용량을 검출하는 고유주파수검출단계; 상기 진동소자의 주파수 및 정전용량에 따라, 상기 n차 최저값별 인덕턴스를 검출하는 인덕턴스검출단계; 및 상기 진동소자에 고유주파수를 인가하고, 인덕턴스는 상기 n이 1이 아니면서 1 보다 크고 5 이하인 정수 값으로 설정하는 설정단계;를 포함하고, 상기 측정단계에서 상기 n은 1 이상이고 5 이하의 정수인 것을 특징으로 하는 고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법에 의해 달성된다.
상기 설정단계에서 상기 n은 3으로 설정될 수 있다.
상기 설정단계에서 상기 n은 5로 설정될 수 있다.
상기 설정단계를 통한 설정조건에 따른 출력파형을 확인하는 확인단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 진동소자는 다수 개로 구비될 수 있다.
본 발명에 의하면, 진동소자에 인가되는 주파수는 공진주파수인 기본 주파수로 정하고, 인덕턴스는 3차 또는 5차 최저값에서의 인덕턴스 값으로 인가되도록 하여 고조파를 갖는 비정현파 형태의 출력을 얻을 수 있으며, 1차고조파인 기본파에 의한 강한 세정과 3차 또는 5차고조파에 의한 약한 세정 효과가 함께 발휘될 수 있으므로, 균일한 세정이 이루어질 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법을 나타낸 순서도,
도 2는 본 발명에 따른 세정장치를 구성하는 진동판을 개략적으로 도시한 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 진동소자와 진동소자에 의하여 발생되는 음파를 개략적으로 도시한 도면,
도 4a는 본 발명에 따른 고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법에서, 임피던스 분석기를 통하여 주파수와 임피던스 관계를 측정한 결과를 도시한 그래프이고, 도 4b는 도 4a의 일부 영역을 확대하여 표시한 그래프,
도 5는 일반적인 세정장치에서 회로도를 개략적으로 도시한 도면,
도 6은 도 5에 따른 회로에서 진동자 전압 및 전류 파형을 측정한 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 세정장치에서 회로도를 개략적으로 도시한 도면,
도 8은 도 7에 따른 회로에서 진동자 전압 및 전류 파형을 측정한 그래프,
도 9는 일반적인 세정장치를 사용하여 알루미늄 호일 실험한 결과를 나타낸 사진,
도 10은 본 발명에 따른 세정장치를 사용하여 알루미늄 호일 실험한 결과를 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 세정장치를 구성하는 진동판을 개략적으로 도시한 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 진동소자와 진동소자에 의하여 발생되는 음파를 개략적으로 도시한 도면,
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도 5는 일반적인 세정장치에서 회로도를 개략적으로 도시한 도면,
도 6은 도 5에 따른 회로에서 진동자 전압 및 전류 파형을 측정한 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 세정장치에서 회로도를 개략적으로 도시한 도면,
도 8은 도 7에 따른 회로에서 진동자 전압 및 전류 파형을 측정한 그래프,
도 9는 일반적인 세정장치를 사용하여 알루미늄 호일 실험한 결과를 나타낸 사진,
도 10은 본 발명에 따른 세정장치를 사용하여 알루미늄 호일 실험한 결과를 나타낸 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법을 나타낸 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 세정장치를 구성하는 진동판을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 진동소자(10)와 진동소자(10)에 의하여 발생되는 음파를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법에서, 임피던스 분석기를 통하여 주파수와 임피던스 관계를 측정한 결과를 도시한 그래프이고, 도 5는 일반적인 세정장치에서 회로도를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 6은 도 5에 따른 회로에서 진동자 전압 및 전류 파형을 측정한 그래프이고, 도 7은 본 발명에 따른 세정장치에서 회로도를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 8은 도 7에 따른 회로에서 진동자 전압 및 전류 파형을 측정한 그래프이다.
본 발명에 따른 고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법은 초음파 세정에 사용되는 진동소자(10)를 이용하며, 측정단계(S100), 고유주파수검출단계(S200), 인덕턴스검출단계(S300), 설정단계(S400) 및 확인단계(S500)를 거처 이루어진다.
도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 세정장치의 설정방법에서는 다수의 진동소자(10)가 포함되도록 하고 있으며, 이러한 진동소자(10)는, 전기 신호를 받아 기계적인 신호로 변환하여 주는 장치로서 일반적인 진동소자 형태로 이루어진다. 도 2에 도시된 형태의 진동소자(10)를 BLT진동자라고 하며, 이를 간단히 설명하면 다음과 같다.
진동소자(10)에는 전극(11)이 형성되고 전기적인 교류신호가 인가된다. 전극(11)을 통하여 진동소자(10)의 공진 주파수가 입력된다.
전극(11)의 일측에는 압전세라믹(12)이 형성되며, 전왜 진동자로 +극, -극 2개를 전극(11) 사이에 결합하여 초기 기계 진동이 발생한다.
도 2에서 압전세라믹(12) 아래쪽으로 직경이 작은 부분은 초음파가 후방으로 나오지 못하고 전방으로만 나갈수 있도록 파장의 정수배로 가공하여 취부하는 부분이다. 전극(11)의 위쪽으로 직경이 확장되는 부분은 반파장의 정수배의 길이로 절단하여 붙이며, 알루미늄 재질로 이루어져 미세 진동 증폭 역할을 하게 된다.
이와 같이 이루어진 진동소자(10)가 준비되면, 진동소자(10)의 고유주파수, 정전용량(Capacitance) 및 임피던스 등을 임피던스분석기(Impedance analyzer)를 이용하여 측정하며, 이러한 단계가 측정단계(S100)에 해당한다. 일반적으로 초음파 진동소자(10)는 고유의 특성을 지니며, 진동소자(10)의 형상(길이)과 압전세라믹(12)에 따라 주파수, 정전용량, 임피던스 등 진동소자(10)의 특성이 결정된다.
도 3에는 진동소자(10)에서의 음압형성이 도시되어 있으며, 진동소자(10)의 길이에 상응하는 기본진동에서의 기본파와, 파장이 3배 감소하는 3배진동 및 파장이 5배 감소하는 5배진동에서의 파형이 도시되어 있다. 기본진동, 3배진동, 5배진동으로 진행할수록 음파의 세기는 약해진다.
도 4에는 임피던스 분석기를 통하여 주파수와 임피던스 관계를 측정한 결과가 도시되어 있고, 이를 통하여 진동소자(10)의 주파수와 임피던스 관계 및 임피던스의 n차 최저값을 확인한다. 주파수가 증가함에 따라 임피던스값은 증가와 감소를 반복하며, 특히 급격히 감소하다가 증가하여 아래로 뾰족한 변곡점(도 4b 참조)이 반복하여 나타나는데 이때의 각 값을 임피던스의 n차 최저값으로 한다. n은 1 이상의 정수에 해당한다.
즉, 도 4는 기본주파수가 40kHz인 진동소자(10)를 분석한 결과인데, 도4에서 나타난 바와 같이, 주파수가 40.4 kHz에서 76.8573Ω, 104.05kHz에서 18.8679Ω, 157.25kHz에서 25.674Ω의 값이 측정되었음을 알 수 있다. 그리고 40.4 kHz, 104.05kHz, 157.25kHz는 각각 기본진동, 3배진동 및 5배진동에서의 주파수값에 해당한다. 또한, 76.8573Ω, 18.8679Ω 및 25.674Ω는 각각 1차, 3차 및 5차에서의 임피던스 최저값에 해당한다.(2차, 4차 등에 대하여도 상기와 같은 방법으로 확인할 수 있다)
기본주파수 40kHz의 진동자를 사용할 때, 계산값에 의할 경우, 기본진동, 3배진동 및 5배진동의 주파수가 40kHz, 120kHz, 200kHz로 나타나야 할 것이나, 실제 진동소자(10)에서의 주파수는 여러 요인에 의하여 상이하게 나타나며 상기와 같은 결과가 나오게 된다. 이에 따라, 본 발명에 따른 측정단계(S100)에서는 진동소자(10)의 주파수와 임피던스 관계를 임피던스분석기를 통하여 실제로 측정함으로써 진동소자(10)의 임피던스 특성을 정확히 확인한다.
그리고 도 4에서도 확인할 수 있는 바와 같이, 기본진동에 해당하는 40.4 kHz가 실험에 사용된 진동소자(10)의 고유주파수에 해당한다. 아울러, 정전용량(Capacitance)값을 확인하며, 고유주파수검출단계(S200)가 이루어진다.
다음으로 진동소자(10)의 주파수 및 정전용량에 따라, n차 최저값별 인덕턴스를 검출하는 인덕턴스검출단계(S300)가 이루어지고, 임피던스의 n차 최저값별 인덕턴스는 다음의 수학식 1 또는 2에 의해 결정된다.
예컨대, 40kHz의 진동소자(10)의 정전용량(Capacitance) 값이 100nF일때 기본진동에서 인덕턴스는 위의 식에 의하여 195nH로 정해진다.
같은 방법으로, 임피던스의 2차, 3차, 4차, 5차 최저값일 경우에 인덕턴스를 계산할 수 있다.
일반적으로 세정장치에 사용되는 진동소자(10)에서는, 주파수와 정전용량값에 따른 인덕턴스를 산출하고, 그 인덕턴스 값을 진동소자(10)에 적용하여 세정에 사용되도록 한다. 예컨대, 기본주파수인 공진주파수를 사용할 경우, 이러한 공진주파수와 정전용량값에 따른 인덕턴스 값을 산출하여 설정한 후 사용한다.
그러나, 본 발명에서는 기본주파수인 공진주파수를 사용하되, 인덕턴스값은 기본진동에서의 값을 사용하는 것이 아니고, 3배진동 또는 5배진동에 따른 인덕턴스값을 사용하도록 하고 있으며, 이에 따라 기본주파수에 따른 기본파와 3배진동 또는 5배진동에 따른 고조파의 효과를 동시에 얻도록 하고 있다.
이처럼, 진동소자(10)에 고유주파수를 인가하고, 임피던스의 n차 최저값이 1이 아닌 경우에서의 인덕턴스 값을 설정하는 설정단계(S400)가 이루어진다.
초음파에서는 강, 약의 파장이 발생하는데, 이러한 파장의 세기는 주파수에 의해 결정된다. 주파수가 높아질수록 파장은 좁아지고 힘은 약해지며, 낮은 주파수에서는 파장이 긴 강한 초음파의 힘이 발생된다. 구체적으로, 일반적인 초음파 세정장치에서 주파수가 상대적으로 낮은, 40kHz에서 알루미늄호일 실험을 할 경우 일부분에서 강한 천공이 발생하지만 전체적으로 불균일하여 강하고 약한 부분이 나타난다. 그리고 주파수가 상대적으로 높은 범위에서는 상대적으로 정밀하나 약한 세정력을 나타낸다.
본 발명에서는 이러한 점을 해결하고 강하면서도 균일한 세정효과를 얻을 수 있도록 하고 있으며, 앞서 언급한 바와 같이 기본주파수에 3배진동 또는 5배진동에 따른 인덕턴스 값을 적용하여 변조된 신호를 발생시키며, 기본파와 고조파의 효과를 동시에 얻도록 하고 있다.
인덕턴스검출단계(S300) 후에는, 설정단계(S400)를 통한 설정조건에 따른 출력파형을 확인하는 확인단계(S500)가 이루어진다.
도 5에는 일반적인 세정장치에서 회로도가 도시되어 있고, 도 6에는 이에 따른 진동자 전압 및 전류 파형을 측정한 그래프가 나타난다. 이처럼, 정현파 형태의 파형이 나타나는데, 단일 형태의 파형이므로, 강한 세정이면서 불균일하거나 균일하면서 약한 세정이 이루어지게 되는 것이다.
도 7에는 본 발명에 따른 세정장치에서 회로도가 도시되며, 도 8에는 이에 따른 진동자 전압 및 전류 파형을 측정한 그래프가 나타난다. 이처럼, 본 발명에서는 기본파 형태에서 고조파가 포함되어 있어 낮은 주파수에서의 효과와 높은 주파수에서의 효과를 동시에 얻을 수 있으며, 균일하고 강한 세정효과를 얻을 수 있다.
도 9에는 일반적인 세정장치를 사용한 경우, 도 10에는 본 발명에 따른 세정장치를 사용한 경우 각각의 알루미늄 호일 실험한 결과가 나타나 있으며, 본 발명에 의한 경우 균일한 세정이 이루어짐을 확인할 수 있다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
10 : 진동소자 11 : 전극
12 : 압전세라믹
S100 : 측정단계 S200 : 고유주파수검출단계
S300 : 인덕턴스검출단계 S400 : 설정단계
S500 : 확인단계
12 : 압전세라믹
S100 : 측정단계 S200 : 고유주파수검출단계
S300 : 인덕턴스검출단계 S400 : 설정단계
S500 : 확인단계
Claims (5)
- 초음파 세정에 사용되는 진동소자를 포함한 세정장치의 설정방법에 있어서,
상기 진동소자의 주파수와 임피던스 관계 및 임피던스의 n차 최저값을 확인하는 측정단계;
상기 진동소자의 고유주파수 및 정전용량을 검출하는 고유주파수검출단계;
상기 진동소자의 주파수 및 정전용량에 따라, 상기 n차 최저값별 인덕턴스를 검출하는 인덕턴스검출단계; 및
상기 진동소자에 고유주파수를 인가하고, 인덕턴스는 상기 n이 1이 아니면서 1 보다 크고 5 이하인 정수 값으로 설정하는 설정단계;를 포함하고,
상기 측정단계에서 상기 n은 1 이상이고 5 이하의 정수인 것을 특징으로 하는 고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 설정단계에서 상기 n은 3인 것을 특징으로 하는 고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 설정단계에서 상기 n은 5인 것을 특징으로 하는 고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 설정단계를 통한 설정조건에 따른 출력파형을 확인하는 확인단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동소자는 다수개로 구비되는 것을 특징으로 하는 고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법.
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| KR1020120057482A KR101401317B1 (ko) | 2012-05-30 | 2012-05-30 | 고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법 |
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| KR1020120057482A KR101401317B1 (ko) | 2012-05-30 | 2012-05-30 | 고조파가 생성되는 세정장치의 설정방법 |
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Citations (3)
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| JPH08107311A (ja) * | 1994-08-26 | 1996-04-23 | Siemens Ag | 自励高周波発生器を形成する電子回路装置 |
| KR19990083875A (ko) * | 1999-08-24 | 1999-12-06 | 길종진 | 세척기용 초음파 다주파발진기 |
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Patent Citations (3)
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